L'influence du champ électrique sur le spectre d'absorption du sodium

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L’influence du champ électrique sur le spectre

d’absorption du sodium

Tsi-Ze Ny, Wen-Po Weng

To cite this version:

LE

JOURNAL

DE

_PHYSIQUE

ET

LE RADIUM

L’INFLUENCE DU CHAMP

_ÉLECTRIQUE

SUR LE SPECTRE D’ABSORPTION DU SODIUM

Par NY TSI-ZE et WENG WEN-PO. Institut de

_Physique,

Académie Nationale de

Peiping.

Sommaire. 2014 Le spectre d’absorption du sodium est photographié dans un champ électrique variant de 0 à 2 800 volts par centimètre. Le nombre des raies observables de la série principale diminue à mesure

que le champ augmente et il _apparaît, entre les raies _principales, des raies nouvelles _appartenant aux

transitions S2014D et S2014 S, aussi bien sur le spectre de la composante 03C3 que sur celui de _la compo-sante 03C9.

Les raies interdites de la transition S2014D sont résolues en des composantes équidistantes par l’effet Stark. Le nombre des composantes et leurs intervalles croissent avec le numéro d’ordre de la raie dans la série. Les intervalles des _composantes sont _{proportionnels,} d’autre _part, à l’intensité du _{champ appliqué.}

Nous observons pour les termes élevés de la série principale un effet Stark quadratique vers le côté des _{petites longueurs d’onde,} qui est plus grand dans le _spectre de la _{composante 03C9 que dans celui de la}

composante 03C3.

Les premières raies observables de la série interdite 3 S2014 nS se déplacent légèrement vers le côté des grandes longueurs d’onde sous l’influence du _{champ électrique} et ce _déplacement semble être proportionnel

au carré de l’intensité du _champ. Les termes élevés de cette série qui se sont _décomposés en des bandes

montrent, par contre un effet Stark linéaire typique vers le côté des courtes longueurs d’onde. Les raies intermédiaires se _déplacent vers le rouge ou vers le violet suivant leurs numéros d’ordre dans la série et

aussi suivant l’intensité du _champ électrique par suite de la superposition des effets Stark _quadratique et

linéaire.

SÉRIE

VII.

-

TOME VII.

1~° 5. MAI

1936.

1. Introduction. - Bien que les métaux alcalins aient des

_{spectres d’absorption}

_analogues,

leurs

correc-tions de

_Rydberg

dans les séries

_homologues

sont assez

différentes. Les termes

_D,

F... du sodium de même

nom-bre

_quantique

total n sont t

_pratiquement

confondus et très voisins du terme P de nombre

_quantique

total

à

₊

1. Il en _{résulte que le}

_spectre

du sodium

_peut

se

_comporter,

en

_présence

d’un

_champ

_électrique,

de

façon

assez différente de ceux du

_potassium

étudié par

Kuhn

_(1),

_{par Bakker}

₍₁₎

et par Amaldi

(3)

et du rubu-dium et _{du caesium étudiés par l’un de} nous

_1’).

En

effet,

les raies interdites de la transition S - D du

so-dium,

observées par E.

Segré (j)

dans un

_champ

élec-trique,

sont

_{décomposées}

en des _{bandes par l’effet}

Stark,

mais suivant

lui,

les raies de la série interdite 3 S - n S

_{n’apparaissent}

que dans le

spectre

de la lu-mière

_polarisée

_{parallèlement}

au

_{champ électrique.}

Avec le

_{dispositif précédemment}

décrit

_(6),

nous avons étudié l’influence du

_champ

_électrique

sur le

spectre

d’absorption

du sodium et pu confirmer et

compléter

les résultats de E.

_Segré

d’une

_façon

quanti-stative. Un tube à

_hydrogène

dont le

_régime

normal est

de 800

_{milliampères}

sous 3000 volts était utilisé comme source lumineuse.

2. Résultats. - La

_{plus grande partie}

du tube

d’absorption,

contenant un condensateur

_plan,

était chauffée

_{électriquement}

et sa

_température

a varié dans nos

_expériences

de i30° à 550° _{C. La tension de vapeur}

correspondante

du sodium est 1 à 10 mm de

_Hg

(Iycter°-iiational Critical

_{Tables, vol., 3,}

_p.

205,

1re

_édition).

La _{tension de la vapeur n’est}

_égale

à la tension

maxi-mum _{pour la}

_température

à

laquelle

on _{chauffe que si}

l’on a introduit une

_quantité

suffisante de sodium dans le tube à cause de la _{diffusion continuelle de vapeur} et de sa condensation dans les

_parties

refroidies du tube. Sans

_{champ électrique,}

nous

₍₇₎

avons _pu

photo-graphier

le

_{spectre d’absorption}

du sodium

_jusqu’au

quarante-quatrième

membre de la série

_principale

ainsi que les

sept

premiers

membres de la série de combinaison 3~201372/). Nous observons

_également

deux bandes

_{d’absorption 2 597,1 Â}

_{et 2545,XS+}

à côté des raies

_principales

3 S’ - 7 P et

_{3 S - 8 P,}

dues aux

molécules à liaison làche de

_sodium,

en accord avec

H. liuhn

_(~1).

L8 JOURNAL DE PHYSIQUE ET LE RADIUM. - SÉRIE _VII. -

T. VII. 2013 ? 5. -

MAI 1936. ~4~,

194

Dans

un

_{champ électrique qui}

a été

_porté

_jusqu’à

~ 800 volts par

centimètre,

le nombre des raies obser-vabJes de la série

_principale

diminue à mesure _{que le}

champ

augmente,

et,

entre deux raies successives de la série

_principale,

_apparaissent

deux raies nouvelles. Ce sont _{des raies interdites par les}

_principes

de

sélection,

l’une

_appartenant

à la transition S - D

_(l’autre

à la transition S -

_S).

Les raies de la série 3 5 - nD sont

décomposées

en _{des bandes par l’effet Stark.}

La

_figure

1

_(voir

_Planche)

donne la courbe

micropho-tométrique

d’une

_portion

du

_spectre

_{d’absorption}

du sodium sans

_{champ électrique}

en trois

tronçons

succes-sifs. La

_première

raie à

_gauche

du

_premier

tronçon

de la

_figure

i est

38 -12 P,

~, =

2464,401.

Les courbes

microphotométriques

des

_{figures 2}

(voir

Planche)

et 3

représentent

la mème

_portion

des

_spectres

_{d’absorption}

du sodium due aux

_{composantes m}

et s dans un

_champ

électrique

de 2 ~00~ par centimètre.

Fig. 3. - F = 2 000

V/CD1, composante a.

Si,

dans un

_champ

_électrique

_{F, 3 S - azaP}

est la dernière raie observable de la série

_principale

du

so-dium,

nos observations dans les divers

_champs

élec-triques

sont résumées dans le tableau suivant : TABLEAU I.

1 .. , , , .. . 1

L’explication simple qui

consisté à tenir

_compte

d’une barrière de

_potentiel

ne suffit pas pour

déter-miner la fin de la série

_principale.

En

effet,

la limite

supérieure

du

_quantum

_{effectif ~c~ des orbites stables} de l’électron dans un

_{champ électrique}

F

_exprimé

en

volts par centimètre est donnée par la relation sui-vante :

A

et,

en se

_rapportant

aux résultats du tableau I, on voit que six ou

_sept

raies

_principales

avant la limite cal-culée sont

_déjà

affaiblies et

_{disparaissent.}

Quand

la vapeur du sodium est suffisamment

dense,

les raies de la série interdite 3S - nS

_apparaissent

aussi bien dans le

_spectre

de la lumière

_polarisée

per-pendiculairement

au

_champ

_électrique

_(composante

_a)

que dans celui de la lumière

polarisée parallèlement

au

_champ

_{électrique (composante ~).}

Elles

n’apparais-sent que dans le

spectre

de la

composante m,

lorsque

la

quantité

de sodium utilisée est inférieure à _{10 grammes} dans nos

_{expériences (le}

volume du tube

_{d’absorption}

était de

9,4

litres

_environ).

El.les

_sont,

_{naturellement.,}

toujours

moins intenses dans le

_spectre

de la compo-sante 6 que dans le

spectre

de la

_composante

~.

Les

_premières

raies de la série

_{38-118 qui}

_apparaissent

dans un

_{champ électrique}

sont moins intenses que les raies de la série 38-nD

_voisines,

elles leur deviennent

égales

et

_puis

les

_dépassent

en intensité.

_Après

la

der-nière raie observable de la séries

_principale,

elles sont aussi

_{décomposées}

et forment des bandes très

compli-quées :

ceci a lieu à

_partir

_{de la raie 3S-I7S pour} un

champ

de 2000

_volts/cm.

Dans

_chaque

_bande,

_{il y} a une raie

_qui

est

_{particulièrement}

intense dans le

_spectre

de la

_composante

r?.

En faisant la détermination des

_longueurs

d’onde des raies

_principales

_{ainsi que celle des raies interdites} des

_spectres

dans divers

_{champs électriques,}

nous

ar-rivons aux résultats suivants :

3. Effet Stark linéaire de la série 3S - D 2013 Les

_premières

raies de la série interdite 3S- bd du sodium

_apparaissent

facilement en

_{absorption quand}

la vapeur est un _{peu dense} et on

_peut

s’étonner de ne

trouver que l’indication de la

_première

raie dans les

publications

antérieures

_(9).

Il ne sera _{donc pas inutile}

de donner les

_longueurs

d’onde des

_sept

_premières

raies déterminées par nous :

Les raies

qui apparaissent

dans un

_{champ électrique}

de 300

_volts/cm

forment la suite continue de celles

indiquées ci-dessus,

observées dans la vapeur dense du

_sodium,

et nous avons obtenu un

_spectre

_complet

de la série 3 S - >1 D du sodium

_jus«n’à

son

_vingtième

membre. Les raies sont résolues par l’effet Stark en

pla-Fib. 4 . - F = 0.

Fig. 2. - F = 2 000

195

eées par

rapport

à leurs

positions

calculées. Le nombre des

_composantes

et leurs intervalles croissent avec 1~ numéro d’ordre de la raie dans la série. Les intervalles des

_composantes

sont

_{proportionnels,}

d’autre

_part,

à

’l’intensité du

_champ

_appliqué

_{(fig. 4).}

Les

longueurs

d’onde des

_composantes

de

_quelques

_{Taies pour} un

champ électrique

de 2 200

_volts/cm

sont données dans le tableau II.

_(Les

_longueurs

d’onde de ces raies

calcu--lées, en utilisant les valeurs connues

des

termes D j 0,

sont

_indiquées

entre

_{parenthèses.)}

TABLEAU II.

~ Suivant la théorie de l’effet Stark relative à l’atome

1

.1

d’hydrogène,

nous avons la variation de

l’énergie

d’un

; niveau

_{atomique :}

1 _¡En

supposant

que cette formule est encore valables pour

-

le sodium. et que le niveau fondamental 3S du sodium

1 _{n’est pas modifié}

par les faihles

champs

utilisés dans

Fig. 4.

ces

_{expériences,}

une raie de la série lois - nD sera

résolue en 1,r

_composantes

_{équidistantes (V}

étant un

nombre ’entier

_égal

au

_quantum

effectif _n>f- de r~iD di-minué de sa

_partie

_{fractionnaire),}

et l’inter~~alle des

coinposantes

sera _{donnée par}

où F est

_exprimé

en _{volts par centimètre et} 3v en

cm-i.

Les valeurs Av de l’intervalle des

_composantes.

cal-culées par la formule

(2),

sont en bon accord av,ec

celles

_indiquées

dans le tableau II.

_D’après

cette for-mule sont tracées les droites de la

_figure

4, sur

les-quelles

sont bien

_alignés

les

_points

expérimentaux.

Le nombre des

composantes

observées de la raie 3S --

~2 U est ?1 -

2,

au lieu de 1V

_{=~ ~ 2013 1, prévu}

par la théorie : ceci est

_probablement

dû au _{fait que les}

com-posantes

du côté des

_grandes

_longueurs

d’onde sont très faibles et _{que l’on}

_peut

_manquer d’observer la

composante

extrême à

gauche.

Les

_composantes

à droite sont

_beaucoup

_plus

intenses que celles à

gauche,

à cause d’une

_plus

_grande

_perturbation

_{par le} terme P. ,

Les termes

_P,

du _{même coup,}

_éprouvent

une

_répulsion

de la

_part

des termes J) et ceci conduit à un effet Stark

quadratique

des raies de la série

_principale

vers le côté

de

_petites

_longueurs

d’onde.

4. Effet Stark inverse

quadratique

de la série

principale.

- Le

dé-196

placement

vers le violet des raies

_principales

du

so-dium en accord avec l’observation de Urotrian

₍₁₁₎

_qui

a étudié l’effet Stark dans les deuxième et troisième membres de ce métal. Le

_{déplacement augmente}

avec

le

_quantum

_{effectif nlf des termes P} et il est propor-tionnel au carré de l’intensité du

_champ.

L’effet est

plus

grand

dans le

_spectre

de la

_{composante cr}

que dans celui de la

_{composante ar}

_{(cliché 3).}

Les résultats relatifs aux raies

_{3S -13 P, 38- 14P,}

3S - 15P

et 3 S - 16 P dans le

_spectre

de la

_{composante m}

sont donnés dans la

_figure

5,

et les

_{déplacements}

de ces trois

premières

raies dans le

_spectre

de la

_composante

6,

dans un

_champ

de 2 000

_~Tolts/cm,

sont de

0,03, 0,05

et

_{0,06 â}

inférieurs à ceux dans le

_spectre

_{de la} compo-sante C7.

Fig. 5. - Effet Stark quadratique des raies principales.

Un calcul du

_déplacement

d’un terme P

_provoqué

i

par l’effet Stark

quadratique

peut

être fait en considérant

l’intéraction

_provoquée

_{par le}

_{champ électrique}

avec

les termes S et D. Ce

_déplacement

est de la forme :

n - n

Ep

est

_l’énergie

du terme ~’ considéré et

_7~

et

_~’~

sont les

_énergies

des termes S et D. Evidemment

_{chaque 1}

est,

en

_définitive,

constituée seulement par deux

termes S ou

_D,

entre

lesques

tombe le terme

P,

_que

nous sommes en _{train de considérer. Nous pouvons}

négliger

tous _{les autres termes parce que les}

diffé-rences /2;"1s ... - E Pd etEd-E p qui

figurent

au dénominateur sont très

_grandes.

Pour calculer

_Qsp

et

_~~dp,

nous faisons usage de la

formule

suivante,

donnée par E. V. Condon

(12) :

où F est

_exprimé

en

_k~’/cm,

_{et u,} 1 et na sont les nombres

_quantiques

usuels.

Les résultats du

calcul,

ainsi que les valeurs

expéri-mentales,

sont résumés dans le tableau III :

TABLEAU III.

L’accord doit ètre considéré comme

_{satisfaisant,}

car

les différences

_{Ed -}

_~’~

ne sont _pas

_toujours

connues

avec une

_{précision supérieure}

à

_vingt

_pour cent. 5. Effets Stark

_quadratique

et linéaire des raies de la série 3 S -- n 5’. - La raie de la série 3 S - n S

qui apparaît

la

_{première correspond}

_{à n = 14 pour} un

champ

électrique

de 500

_{’T /cln}

et

_correspond

à n - 10 pour un

_champ

de 2 OUO

_V/cm.

L’intensité de ces raies

augmente

d’une raie à la suivante.

_Après

la dernière raie observable de la série

_principale,

elles se

décom-posent

et forment des bandes très

_compliquées

_qui

se

prolongent

presque

jusqu’à

la limite de la série

princi-pale

(2

415

_1).

Dans

_chaque

bande,

il y a une raie

_qui

est

_{particulièrement}

intense dans le

_spectre

de la

composante

en, et dont les

longueurs

d’onde sou

Fig. 6. - Effets Stark

quadratique et linéaire des raies de la série 3 S - nS.

divers

_{champs électriques,}

_{ainsi que celles des}

premières

raies de la même série 3 S -

_n8,

sont données dans le tableau IV. Les

_longueurs

d’onde des raies rle cette

_{série, calculées par}

une formule de

_Rydberg

en

_{prenant - 1,31}

_{pour la}

_correction,

sont aussi

197 TABLEAU IV.

abscisses l’intensité du

_{champ appliqué}

11’ et comme

ordonnées les différences entre les

_longueurs

d’onde de ces raies sous divers

_champs

_électriques

et les

longueurs

d’onde

calculées,

nous obtenons les courbes

de la

_figure

6.

On _{voit que les}

_premières

raies observables de la

î;érie 3 8 - n S se

_{déplacent légèrement}

vers le côté des

_{grandes longueurs}

d’onde et que ce

_déplacement

semble être

_{proportionnel}

au carré de l’intensité du

champ électrique.

Les membres élevés de la même série

_montrent,

_par

_contre,

un effet Stark linéaire

typique

vers le côté des courtes

_longueurs

d’onde. Les raies intermédiaires se

_déplacent

vers _{le rouge} ou vers

le violet suivant leurs numéros d’ordre dans la série et aussi

_suivant

l’intensité du

_champ

_électrique

appliqué

par suite de la

superposition

des effets Stark

quadratique

et linéaire.

Manuscrit reçu le 26 février 1936.

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